煤直接液化工藝條件對液化反應的影響

劉忠亮

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

引言

早在1913年德國人就發明了煤直接液化的技術，在二戰期間該技術就得到的實際的應用和推廣。在二次世界大戰結束之后，由于中東地區大量廉價的石油涌入市場，煤直接液化企業在其面前沒有絲毫的抵御能力紛紛倒閉了。大約在20世紀70年代的時候，在世界范圍內出現了經濟的危機，煤炭的直接液化技術又開始被重新重視起來。尤其是美國、日本以及德國等國家在煤直接液化的技術的基礎上對其進行了工藝方面的極大的改良，這些工作的目的只有一個那就是盡可能的降低煤直接液化的反應的苛刻的條件，進而在最大程度上降低煤直接液化所耗費電的成本。目前世界上比較有代表性的煤直接液化的技術流派主要分為三種分別為美國、德國以及日本的技術。這些煤液化的新技術中所具有的共性就是，反應的條件和原來相比已經不是那么苛刻。神華集團的液化工藝是具有完全自主知識產權的煤直接液化的技術，該技術不論是從反應條件或者是反應的出油上和其他技術相比都具有相當的優勢。

一、煤直接液化反應的原理以及相應的工藝流程

1.煤直接液化的反應機理

將煤炭處于高溫、高壓以及氫氣的環境下，通過催化劑的反應的催化作用，會發生煤炭和氫氣之間的反應，然后對反應后的產品進行液化蒸餾將其分成輕重兩個部分。通過大量的理論研究與實踐證明，煤炭在高溫、高壓以及氫氣的環境下和氫氣發生反應液化的過程大致可以分為三個步驟。首先煤炭所處的溫度在300攝氏度以上的時候，煤炭就是開始受熱分解，在煤炭中大分子結構的較弱的連接鍵開始斷裂，這使得煤炭的分子結構產生了相應的變化，通過煤炭的這種分解產生了較大數量的單元分子結構的自由基，自由基的分子的數量在數百左右（雖然其不帶電但是有自身所帶電子的碎片）。接著在供氫溶劑比較充足并且氫氣的壓力較大的環境下，自由基通過和氫氣進行結合形成較為穩定的結構，最終成為瀝青烯及液化油的分子。氫氣分子本身并不能與相應的自由基結合，能夠和自由基相結合的是氫氣的自由基，也就是氫氣的原子，或者是經過活化的氫氣分子，氫原子或者是活化的氫氣分子的來源是煤炭中的氫、以及供氫溶劑碳氫鍵斷裂產生的氫自由基、氫氣中的氫氣分子被催化激活、或者是化學反應放出的氫等。

如果在反應系統中加入水和一氧化碳，那么就會產生放出氫氣的反應。如果具有活性的氫氣不足的情況下，自由基就會發生相應的反應而產生脫氫的狀況，最后就會生產半焦炭或者是焦炭。然后對于瀝青烯及液化油分子繼續加氫裂化使其進行分解成為更小的組成部分。

2.煤直接液化的工藝流程

在煤直接液化的工藝中較為關鍵的步驟有煤的烘干、破碎、制備煤漿、以及加入氫氣進行液化的過程（在反應的過程中采用串聯的反應器）、然后對于固體和液體進行分離、對于氣體進行凈化、對液體產品進行蒸餾和精制，最后在液化氣中提取氫氣。液化過程就是將上述步驟過程中制成的煤漿，然后與氫氣進行結合送入反應器。在反應器當中，煤炭首先會受熱發生分解，逐漸變成自由基碎片，這些自由基碎片會和反應器中的氫氣進行結合發生反應，形成一種具有較小分子量的氫化物。反應器中所產生的反應物非常的復雜，既包括氣體又包括液體和固體。氣相的主要組成部分是氫氣，在進行膜分離之后可以作為循環氫再進入反應器進行重復的使用；固體物質主要是沒有反應的煤和無機礦物質、或者是催化劑等。液體的油經過提質加工就會變成日常生活中所使用的汽油、以及柴油或者是航空煤油等。重質的液體會進一步進行分解得到重油或者是其他物質，而重油又可以作為循環溶劑進行使用。

二、煤直接液化工藝條件對液化反應的影響

煤的轉化率、油灰渣轉化率、氣體收率和液體收率是煤直接液化工藝性能的重要衡量指標。在這些重要的指標當中，最重要的是使煤轉化率、油灰渣轉化率和液體收率達到最高，同時使氣體收率降到最低。

在煤直接液化的工藝當中最為可控以及可調節的因素就是反應器的溫度、以及反應器的壓力、空速和氣體同液體的比例。操作的參數會對工藝的性能產生影響，通過對這些參數進行研究和調整能夠在很大程度上改善系統的性能。通過對過程參數的調整能夠達到對產品的質量以及成本進行控制的目的，接下來本文對于工藝生產過程中的這些參數對于反應的影響進行了分析。

1.反應的溫度

在煤直接液化反應的過程中最為主要的就是通過控制煤液化的溫度來保證煤具有較高的轉化率。所以溫度是工藝控制過程中最為主要的變量之一。由于反應器的類型為返混式反應器，所以其內循環或者是煤漿的循環速度較高，這就導致溫度的梯度非常的低。反應器的實際加權平均床層溫度應該和反應器出口的溫度相差大致在2-4攝氏度之間。從整個的反應過程來看，如果溫度較高的話有利于分裂反應，但是不利于加氫反應，較低的溫度才較為適合加氫反應。

2.反應的壓力

操作的壓力并沒有真正實際的物理意義，所以自工藝設計階段就應該將該量進行設定。與該壓力有關的就是氫氣的分壓，如果氫分壓較高的話就會有利于加氫反應，就會降低聚合反應以及沉積反應，所以可以改善其可操作性。足夠的氫氣分壓能夠使得反應環境維持在較好的狀態。大量試驗研究證明煤液化反應速度與氫分壓的一次方成正比，所以氫分壓越高越有利于煤的液化反應。

3.干煤空速

反應器中需要大量的循環供氫溶劑以及足夠的氫氣，干煤的停留是和空速之比成正比的，在流量發生相應改變的情況下，空速的變化就會和相應的流量成一定的比例。每臺反應器都具有一定的干煤響應的速度。但是較低的空速對于油渣的轉化、以及液體收率和氣體收率是非常有幫助的。在這種情況下空速對于煤的轉化率的影響比較小并且可以忽略不計，所以煤的轉化率和空速之間的關系并不是很大。

4.氣液比的調節

一般用氣體標準化的體積流量和煤漿的體積流量的比值來表示，該比值是一個沒有量綱的參數。煤漿的密度一般來講大于1000kg每立方米，所以一般用標準氣體狀態下的氣體流量與煤漿流量之比來進行表示。如果提高氣體和煤漿液體的比值，那么液體狀態的分子就會進入到氣體分子中，氣體在反應器內的停留的時間就會比液體停留的時間短，這樣就會使得小分子液化油發生分裂的可能性繼續減小，但是這會在很大程度上增加大分子的瀝青烯以及前瀝青烯在反應器中停留的時間，進而使得轉化率進一步得到提高。氣液比值的提高也會使得氣液混合體流動的速度增加，這也非常有利于反應器的內部反應。但是氣液比值的提高并不只是帶來好的效果，氣液比值的提高會提高反應器內部氣體的含量，可以使得液體分子在反應器內部的停留時間減少，這樣對于液體的反應是極為不利的。另外氣液比值的提高也會在很大程度上增加循環壓縮機的負荷，提高能量的消耗。所以應該設定氣液之比到一個較為合適的數值。

三、結語

煤直接液化技術在我國應用已經有多年的歷史了，煤直接液化的工藝步驟中的各種參數如溫度、壓力、空速比和氣液比等都會對煤直接液化的過程產生重要的影響如能量的消耗以及轉化率等，本文通過實驗確定了煤直接液化工藝過程中所需要的合適的參數。這對于推動我國煤直接液化技術的發展具有一定的作用，為該技術的進步奠定了實踐基礎。

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